Cronograma de Materiais 2

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Materiais de
construção mecânica
Aplicada
CRONOGRAMA
Ementa
Ensaios não destrutivos. Ensaios mecânicos nos materiais metálicos. Ruptura nos metais.
Transformações em ligas ferro-carbono. Noções de tratamentos térmicos. Ferros fundidos.
Metais e ligas não ferrosas. Cerâmicas e suas propriedades. Polímeros e suas propriedades.
Conteúdo programado
1. Influência de elemento de liga: Molibdênio, níquel, cromo, alumínio, fosforo, manganês, silício, vanádio, cobalto, enxofre, tungstênio e etc, Exemplo de aplicação na engenharia.
2. Ferros fundidos: ferros fundidos brancos, ferros fundidos cinzentos, ferros fundidos nodulares. Propriedades e classificação. Tratamentos térmicos. Exemplo de aplicação na engenharia.
3. Metais e ligas não ferrosas: Alumínio, níquel, titânio, cobre e suas ligas. Introdução, propriedades aplicações, classificação e suas ligas. Exemplo de aplicação na engenharia.
4. Polímeros e Cerâmicos: Polímeros: Aplicações. Estrutura e propriedades dos materiais poliméricos, cadeia para o mecanismo de adição, cadeia para o mecanismo de condensação, grau de
polimerização, polímeros termorrígidos e Elastômeros.
5. Cerâmicas: Aplicações, estrutura, propriedades dos materiais cerâmicos e estruturas cristalinas.
6. Ensaios não Destrutivos e Curva de Endurecibilidade: Ensaios não Destrutivos: Líquidos Penetrantes.
7. Curva de endureciblidade: Ensaio Jominy e curva de Lamont.
8. Ensaio de Dureza Rockwell: Rockwell A, B e C. Corpo de prova tratado termicamente e não tratado (padrão).
9. Ensaios Mecânicos: Tração. Corpo de prova tratado termicamente e não tratado (padrão).
10. Tratamento Térmico de Aços: Aços Resfriados Lentamente (recozimento e normalização).
11. Aços Resfriados rapidamente (tempera) e revenimento.
12. Microestrutura de Materiais Metálicos: Metalografia (lixamento, polimento, ataque químico e microscopia ótica)
13. Materiais de ferramentas de corte
Aula 1
1. Influência de elemento de liga: Molibdênio, níquel, cromo, alumínio, fosforo, manganês,
silício, vanádio, cobalto, enxofre, tungstênio e etc, Exemplo de aplicação na engenharia.
2. Ferros fundidos: ferros fundidos brancos, ferros fundidos cinzentos, ferros fundidos
nodulares. Propriedades e classificação. Tratamentos térmicos. Exemplo de aplicação na
engenharia.
Aula 2
1. Metais e ligas não ferrosas: Alumínio, níquel, titânio, cobre e suas ligas. Introdução,
propriedades aplicações, classificação e suas ligas. Exemplo de aplicação na engenharia.
2. Polímeros e Cerâmicos: Polímeros: Aplicações. Estrutura e propriedades dos materiais
poliméricos, cadeia para o mecanismo de adição, cadeia para o mecanismo de condensação,
grau de polimerização, polímeros termorrígidos e Elastômeros.
3. Cerâmicas: Aplicações, estrutura, propriedades dos materiais cerâmicos e estruturas
cristalinas.
Aula 3
1. Ensaios não Destrutivos e Curva de Endurecibilidade: Ensaios não Destrutivos: Líquidos
Penetrantes.
2. Curva de endureciblidade: Ensaio Jominy e curva de Lamont
Aula 4
1. Ensaio de Dureza Rockwell: Rockwell A, B e C. Corpo de prova tratado termicamente e não
tratado (padrão).
2. Ensaios Mecânicos: Tração. Corpo de prova tratado termicamente e não tratado (padrão).
NP1
 22/09
Aula 5
1. Tratamento Térmico de Aços: Aços Resfriados Lentamente (recozimento e normalização).
2. Aços Resfriados rapidamente (tempera) e revenimento.
Aula 6
1. Microestrutura de Materiais Metálicos: Metalografia (lixamento, polimento, ataque químico
e microscopia ótica)
2. Materiais de ferramentas de corte
NP2
 11/11
Sub
 17/11
Exame
 08/12
Aula 1
INFLUÊNCIA DE ELEMENTO DE LIGA
FERROS FUNDIDOS
Influência de elemento
de liga
INTRODUÇÃO
Ligas
Diagrama de fases
Pergunta
 Por que não utilizamos simplesmente ferro
puro para fabricar estruturas, ferramentas,
motores e máquinas?
Consigo usar o mesmo material?
Composição
química
microestrutura propriedades desempenho aplicação
Diagrama de fases
O que é um elemento de liga?
Fe
Metal puro
C
Mo
Cr
S
Ni
Mn
Microestrutura
Microestrutura
Substitucional Intersticial
Elementos substitucionais
Características:
Tamanho atômico: A diferença entre os raios dos
átomos não deve passar de 15%.
Estrutura cristalina: Os elementos devem possuir o
mesmo tipo de arranjo cristalino básico.
Eletronegatividade: Valores parecidos evitam a
formação de compostos químicos complexos.
Valência: Metais com valências iguais ou
ligeiramente superiores facilitam a solubilidade
Elementos Intersticiais
Características:
Tamanho atômico: Os átomos solutos devem ter um raio
bem menor que o metal principal.
Efeito mecânico: Dificultam o escorregamento dos
planos cristalinos, aumentando a dureza e a resistência
mecânica do metal.
Solubilidade: Geralmente possuem baixa solubilidade na
rede cristalina do metal base.
Mobilidade: Apresentam alta taxa de difusão e
movimentação rápida na estrutura metálica
Principais elementos
de liga
Resistência e temperabilidade (Mn)
PRINCIPAIS EFEITOS:
 aumenta a resistência mecânica;
 aumenta a dureza;
 aumenta a temperabilidade;
 atua como desoxidante;
 reduz os efeitos prejudiciais do enxofre.
APLICAÇÕES:
 aços estruturais;
 engrenagens;
 componentes automotivos;
 trilhos.
Resistência e temperabilidade (Mo)
PRINCIPAIS EFEITOS:
 aumenta a temperabilidade;
 aumenta a resistência mecânica;
 melhora resistência ao desgaste;
 aumenta resistência em temperaturas
elevadas;
 reduz a tendência à fragilização em
determinadas condições.
APLICAÇÕES:
 ferramentas;
 componentes de motores;
 aços para altas temperaturas;
 indústria química;
 componentes de alta resistência.
Resistência e temperabilidade (V)
PRINCIPAIS EFEITOS:
 aumenta resistência;
 aumenta dureza;
 promove refinamento de grão;
 forma carbonetos muito duros;
 melhora resistência ao desgaste.
APLICAÇÕES:
 ferramentas;
 aços rápidos;
 componentes automotivos;
 ferramentas de corte.
Resistência e temperabilidade (W)
PRINCIPAIS EFEITOS:
 dureza;
 resistência ao desgaste;
 estabilidade em altas temperaturas.
 Forma carbonetos muito estáveis.
APLICAÇÕES:
 ferramentas de corte e aços rápidos.
Corrosão (Cr)
PRINCIPAIS EFEITOS:
 resistência à corrosão;
 resistência à oxidação;
 aumento da dureza;
 formação de carbonetos em determinados
aços.
APLICAÇÕES:
 talheres;
 equipamentos hospitalares;
 indústria alimentícia;
 indústria química;
 tubulações;
 equipamentos de processo.
Corrosão (Ni)
PRINCIPAIS EFEITOS:
 aumentar a tenacidade;
 melhorar resistência à corrosão;
 estabilizar a austenita;
 melhorar desempenho em baixas
temperaturas.
APLICAÇÕES:
 aços inoxidáveis austeníticos;
 equipamentos químicos;
 indústria petroquímica;
 aplicações criogênicas.
Silício
PRINCIPAIS FUNÇÕES
 desoxidante;
 aumenta resistência;
 aumenta resistência à oxidação em
determinadas ligas;
 importante em aços elétricos.
APLICAÇÕES
 transformadores;
 motores elétricos;
 geradores.
Alumínio
PRINCIPAIS FUNÇÕES
 desoxidante;
 formação de compostos/nitretos;
 refinamento de grão em determinados aços;
 aumenta resistência à oxidação em algumas
ligas.
APLICAÇÕES
 aeronaves;
 automóveis;
 estruturas leves;
 componentes de motores.
Nem todo elemento é desejável
FÓSFORO
 aumentar resistência;
 aumentar dureza;
 melhorar algumas características de
usinabilidade;
 (aumenta a fragilidade)
ENXOFRE
 Usinabilidade
 pode favorecer a formação de inclusões
Superliga (Co)
 estabilidade de propriedades em altas
temperaturas;
 dureza a quente;
 materiais magnéticos;
 ferramentas;
 superligas;
 turbinas;
 materiais magnéticos.
Exemplos de
engenharia
Aço inoxidável 304
 Fe–Cr–Ni
 Por que adicionar Cr e Ni ao Fe?
 Cr → passivação/corrosão;
 Ni → estabilidade austenítica e tenacidade.
Ferramenta de corte
 Fe–C–W–V–Mo–Cr
 Quais propriedades são necessárias?
 Dureza Resistência ao desgaste
 RigidezDuctibilidade
 Tenacidade Condução Elétrica
 Dureza a quente Estabilidade microestrutural
Trilho ferroviário
 Fe–C–Mn
 O que um trilho precisa suportar?
o desgaste
o cargas elevadas
o impacto
o fadiga
Transformador
 Qual elemento de liga imprime propriedades elétricas?
Fe - Si
Exercício
 Uma empresa precisa desenvolver um material para fabricar uma ferramenta de corte utilizada
em altas velocidades.
 O componente estará sujeito a:
 elevada temperatura;
 desgaste;
 esforços mecânicos;
 contato repetitivo com outro material.
 Elementos disponíveis:
 Cr — Ni — Mo — V — W — Mn — S
1. Quais elementos vocês escolheriam?
2. Qual propriedade cada elemento deve fornecer?
3. Qual elemento vocês evitariam? Por quê?
Ferro fundido
O que é ferro fundido?
 Por que usar ferro fundido em vez de aço?
 ferro fundido é um aço de qualidade inferior?
Ferro fundido
 Ferro fundido é uma família de ligas Fe-C, normalmente com teor de carbono superior ao dos
aços, e frequentemente contendo quantidades significativas de Si.
 Uma faixa didática bastante útil:
 Aços: aproximadamente 0,02–2,1% C
 Ferros fundidos: aproximadamente 2,1–4,3% C
Os ferros fundidos
 Vão depender da morfologia do carbono:
 Grafita ou carboneto(cementita)
Grafita
 Em flocos de grafita
 Ferro fundido cinzento
Ferro fundido cinzento
 Microestrutura:
 ferrítica;
 perlítica;
 ou uma combinação.
 Os flocos de grafita funcionam como concentradores de tensão.
 boa resistência à compressão
 baixa resistência à tração e baixa ductilidade.
Propriedade Comportamento
Resistência à compressão Alta
Resistência à tração Moderada/baixa
Ductilidade Baixa
Usinabilidade Excelente
Amortecimento de vibrações Excelente
Fundibilidade Excelente
Custo Relativamente baixo
Amortecimento de vibrações
 A grafita ajuda a dissipar energia vibracional.
 Por isso o ferro fundido cinzento é excelente para:
 bases de máquinas;
 carcaças;
 blocos de motores;
 discos de freio;
 componentes de máquinas.
 rigidez + boa fundibilidade + amortecimento de vibração + baixo custo.
Cementita (carboneto)
C principalmente combinado como cementita
ferro fundido branco
Ferro fundido branco
 O carbono permanece combinada, principalmente na forma de: cementita (Fe₃C)
 Microestrutura
 Podemos ter:
 ledeburita + cementita + perlita, dependendo da composição e do processamento.
 A cementita é extremamente dura e frágil.
 cementita = ↑ dureza logo ↑ resistência ao desgaste
 mas:
 cementita = ↓ ductilidade logo ↓ tenacidade
Propriedade Comportamento
Dureza Muito alta
Resistência ao desgaste Muito alta
Ductilidade Muito baixa
Tenacidade Baixa
Usinabilidade Muito baixa
Resistência à compressão Alta
Aplicações
 RESISTÊNCIA AO DESGASTE
 cilindros de laminação;
 revestimentos de moinhos;
 rolos;
 componentes sujeitos a abrasão;
 peças de mineração.
Grafita
Grafita em nódulos
Ferro fundido nodular (dúctil)
Ferro fundido nodular
 Microestrutura: grafita em nódulos (esferas)
 menor acumulo de tensão
 (comparado com os flocos)
 Consequência:
 ↑ resistência mecânica
 ↑ ductilidade
 ↑ tenacidade
Propriedade Comportamento
Resistência mecânica Alta
Ductilidade Muito maior que cinzento
Tenacidade Boa
Usinabilidade Boa
Fundibilidade Excelente
Resistência ao desgaste Boa
Custo Competitivo
Aplicações
 virabrequins;
 engrenagens;
 componentes automotivos;
 tubos;
 válvulas;
 conexões;
 componentes de suspensão.
Outros ferros funididos
 Ferro fundido maleável
 Produzido a partir de ferro fundido branco por tratamento térmico prolongado. (Ciclo
prolongado em fornos especiais para transformar a cementita em aglomerados de grafita.)
 A grafita apresenta morfologia característica, geralmente em agregados/rosetas de carbono de
têmpera.
 Vermicular/compactado
 Grafita: vermicular/compactada
 Fica entre o cinzento e o nodular em termos de morfologia e propriedades.
Tratamentos térmicos
 O tratamento térmico modifica a matriz metálica e, portanto,
modifica as propriedades do ferro fundido.
Recozimento
 Processo: aquecimento + resfriamento lento
 Objetivo:
◦ Reduzir dureza
◦ Aumentar ductilidade
◦ Aliviar tensões internas
◦ produzir matriz mais ferrítica em determinadas condições.
 Ferro nodular perlítico → recozimento → matriz mais ferrítica
 Menor dureza
 Maior ductibilidade
Normalização
 Processo: aquecimento + resfriamento ao ar
 Pode ser usada para:
o aumentar resistência;
o produzir matriz mais perlítica;
 melhorar uniformidade microestrutural.
 Resultado típico:
 maior resistência e dureza
Têmpera + revenimento
 Têmpera: resfriamento rápido (água, óleo)
 Revenimento: aquecer após têmpera
 Pode ser utilizada principalmente em determinados ferros nodulares e outras classes
apropriadas.
 Sequência:
 aquecimento → austenitização → resfriamento rápido → martensita → revenimento
 Objetivo:
 ↑ resistência e dureza
Austêmpera
 ADI — Austempered Ductile Iron (Ferro Fundido Nodular Austemperado)
 A microestrutura resultante contém ausferrita, uma estrutura formada durante a transformação
isotérmica da austenita.
 Resultado:
 alta resistência;
 boa ductilidade;
 boa resistência ao desgaste;
 excelente combinação resistência/tenacidade.
Atividade
1. Base de uma máquina-ferramenta
2. Revestimento de moinho para mineração
3. Virabrequim automotivo
 ( ) ferro fundido branco.
 ( ) ferro fundido nodular.
 ( )ferro fundido cinzento.
2
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